UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES SISTEMAS DIGITALES Y LABORATORIO Fausto Chávez
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Héctor Cajilema hector55Qhotmail.es
Jesica Quillay
[email protected]
Diseño E Implementación De Un Tema:
I. INTRODUCCIÓN
Robot Multifuncional Mediante El Hardware VHDL.
La robótica es un área que actualmente está siendo utilizada en un sin número de aplicaciones industriales, domésticas y educativas, trabajar con robots exige un conocimiento multidisciplinar de la electrónica, la informática y hasta la mecánica. Conocimiento de sensores, comunicaciones, motores e incluso inteligencia artificial hace de esta disciplina un excelente elemento formativo para estudiantes y profesionales, colocando en práctica los l os conocimientos en cada una de las temáticas anteriormente mencionadas, además de generar el deseo y la motivación de querer aprender nuevas técnicas y métodos que hagan del robot un sistema más autónomo e inteligente.
En este informe muestra el diseño Resumen — En e implementación de un robot móvil multifuncional: Seguidor de línea, seguidor de luz y evasor de obstáculos, producto del desarrollo de la práctica de laboratorio correspondiente a la asignatura de Sistemas Digitales, abordando los conceptos de Lenguaje de Descripción de VHDL. El dispositivo lógico programable utilizado para el control del robot móvil fue la FPGA ESPARTAN 6. El sensor QRD1114 fue utilizado para la detección de línea, un par de fotoceldas como sistema para detección de luz y para detección de obstáculos unos interruptores tipo bumper.
lógicos programables, Lenguaje de Descripción de Hardware VHDL, Lógica Combinaciones, Robótica móvil, Seguidor de Línea, Seguidor de Luz. Palabras
Arreglos Claves — Arreglos
A. OBJETIVO GENERAL Diseño E Implementación De Un Robot Multifuncional Mediante Lenguaje VHDL y en el Hardware FPGA Espartan 6 Zula 2.
B. OBJETIVOS ESPECIFICOS. Identificar y aprender la importancia del desarrollo de aplicaciones basadas
en circuitos digitales programables FPGA. Aplicar todo lo aprendido en lenguaje VHDL y en la FPGA Espartan 6. Realizar la programación del robot mediante VHDL. Probar y quemar en la tarjeta FPGA Espartan 6. Implementar el robot multifuncional.
Seguidor De Luz Su tarea es encontrar un punto de luz dentro de un ángulo de detección de las Fotoresistencias y dirigirse lo más rápido posible hacia tal fuente de luz.
Xilinx Ise Xilinx ISE (Entorno de Software Integrado)
II. MARCO TEORICO
es una herramienta de software producido por Xilinx para la síntesis y el análisis de los
Seguidor De Línea Estos robots pueden variar desde los más básicos (van tras una línea única) hasta los robots que recorren laberintos. Todos ellos, sin embargo, poseen (por lo general) ciertas partes básicas comunes entre todos: Sensores: Un rastreador detecta la línea a seguir por medio de sensores. Hay muchos tipos de sensores que se pueden usar para este fin; sin embargo, por razones de costos y practicidad los más comunes son los sensores infrarrojos (IR), que normalmente constan de un LED infrarrojo y un fototransistor. Motores: El robot se mueve utilizando motores. Dependiendo del tamaño, el peso, la precisión del motor, entre otros factores, éstos pueden ser de varias clases: motores de corriente continua, motor paso a paso o servomotores. Ruedas: Las ruedas del robot son movidas por los motores. Normalmente se usan ruedas de materiales anti-deslizantes para evitar fallas de tracción. Su tamaño es otro factor a tener en cuenta a la hora de armar el robot. Fuente de energía: El robot obtiene la energía que necesita para su funcionamiento de baterías o de una fuente de corriente alterna, siendo esta última menos utilizada debido a que le resta independencia al robot.
diseños
de
HDL,
lo
que
permite
al
desarrollador para sintetizar ("compilación") sus diseños, realizar análisis de tiempo, examinar diagramas RTL, simular la reacción de un diseño a diferentes estímulos, y configurar el dispositivo de destino con el programador.
III.
ALGORITMO PROPUESTO PARA EL CONTROL DEL ROBOT MÓVIL
IV. METODOLOGIA La función a realizar por el robot está determinada por el estado de las entradas de selección (SEL 0 y SEL 1 ).
por los sensores ópticos dispuestos para tal fin. El acondicionamiento electrónico realizado a cada sensor óptico para que entregue dichos estados digitales, se muestra en la Fig. 2.
Para la función de seguimiento de línea se utilizaron un par de sensores (SL 0 y SL 1 ), para el seguimiento de luz se utilizaron un par de fotoceldas (SLuz0 y SLuz1 ) y para la función de evasión de obstáculos un par de interruptores (SObs0 y SObs1). En la lógica combinacional entra la programación en VHDL para cumplir cada función y la movilidad del robot está determinada por el accionamiento conjunto de dos motores DC controlados por medio de un puente H integrado.
V. PROCEDIMIENTO Diseño Del Algoritmo Controlador Del Robot Móvil Multifuncional La tabla I muestra la asignación de funciones a realizar por el robot móvil, según los estados de las líneas de selección. Tabla I. Asignación de funciones para robot móvil.
SEL 1 0
SEL2
FUNCION
0
0
1
1
0
1
1
SEGUIDOR DE LINEA SEGUIDOR DE LUZ EVASOR DE OSTACULOS PARAR
A. Seguidor de Línea La función de seguidor de línea solo tendrá en cuenta los estados lógicos digitales entregados
Fig. 3. ópticos.
Acondicionamiento
de
sensores
El voltaje de calibración Vcal se ajusta para mejorar la sensibilidad de acuerdo a las condiciones de luminosidad de la pista de prueba. La lógica utilizada para la activación de los motores para la función de seguimiento de línea se muestra en la Tabla II. Tabla II. Lógica de control de motores para seguidor de línea
Los estados de MOTOR1 y MOTOR2 corresponden a los estados que adoptaran las líneas de entrada al integrado L293B, Control0, Control1, Control2 y Control3 respectivamente (Ver Fig. 2). Si ambos sensores detectan color negro (SL0=0 y SL1=0) el robot debe avanzar, si se detecta color blanco por la derecha (SL1=0 y SL0=1) el robot debe girar a la izquierda, si se detecta color blanco por la izquierda (SL1=1 y SL0=0) el robot debe girar a la derecha, y si ambos sensores detectan color blanco (SL1=1 y SL0=1) el robot debe retroceder. A. Seguidor de Luz La función de seguidor de luz solo tendrá en cuenta los estados lógicos digitales entregados por las fotoceldas dispuestas para tal fin. El acondicionamiento electrónico realizado a cada fotocelda para que entregue dichos estados digitales, se muestra en la Fig. 4.\
La lógica utilizada para la activación de los motores para la función de seguimiento de luz se muestra en la Tabla III.
Entonces, si ambos sensores de luminosidad detectan luz (SLuz1=1 y SLuz0=1) el robot debe avanzar hacia adelante, si se detecta luz por la derecha (SLuz1=0 y SLuz0=1) el robot debe avanzar girando a la derecha, si se detecta luz por la izquierda (SLuz1=1 y Sluz0=0) el robot debe avanzar girando a la izquierda, y por último, si no se detecta luminosidad (SLuz1=0 y SLuz0=0) el robot debe parar. A. Evasor de Obstáculos La función de evasión de obstáculos solo tendrá en cuenta los estados lógicos digitales entregados por los interruptores tipo bumper dispuestos para tal fin. El acondicionamiento electrónico realizado a cada bumper para que entregue dichos estados digitales, se muestra en la Fig. 5.
Fig. 4. Acondicionamiento de sensores de luminosidad.
VII. PROGRAMACION library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; --Uncomment the following library declaration if using -- arithmetic functions with Signed or Unsigned values --use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
La lógica utilizada para la activación de los motores para la función de evasión de obstáculos se muestra en la Tabla IV. Tabla IV. Lógica de control de motores para evasión de obstáculos.
Si los bumpers no detectan obstáculo (SObs1=1 y SObs0=1) el robot debe avanzar, si se detecta obstáculo por la derecha (SObs1=0 y SObs0=1) el robot debe girar a la izquierda, si se detecta obstáculo por la izquierda (SObs1=1 y SObs0=0) el robot debe girar a la derecha, y por último, si se detecta obstáculo frontal (SObs1=0 y SObs0=0) el robot debe retroceder.
VI. SIMULACION PROTEUS
-- Uncomment the following declaration if instantiating -- any Xilinx primitives in this code. --library UNISIM; --use UNISIM.VComponents.all;
library
Entity ROBOT is port( SEL: in std_logic_vector (1 downto 0); S_LINEA: in std_logic_vector (1 downto 0); S_LUZ: in std_logic_vector (1 downto 0); S_OBST: in std_logic_vector (1 downto 0); CONTROL: out std_logic_vector (3 downto 0)); end ROBOT; architecture BEHAVIORAL of ROBOT is begin process(SEL, S_LINEA, S_LUZ, S_OBST) begin --SEGUIDOR DE LINE if SEL="00" then if S_LINEA="00" then CONTROL<="1010"; --retrocede elsif S_LINEA="01" then CONTROL<="0110"; --derecha elsif S_LINEA="10" then CONTROL<="1001"; --izquierda else CONTROL<="0101"; --adelante end if; end if; --SEGUIDOR DE LUZ if SEL="01" then if S_LUZ ="00" then CONTROL<="1111"; --adelante elsif S_LUZ ="01" then
CONTROL<="0110"; --izquierda elsif S_LUZ ="10" then CONTROL<="1001"; --derecha else CONTROL<="0101"; --parar end if; end if; --EVASOR DE OBSTACULOS if SEL="10" then if S_OBST="00" then CONTROL<="0101"; --retrocede elsif S_OBST="01" then CONTROL<="1001"; --derecha elsif S_OBST="10" then CONTROL<="0110"; --izquierda else CONTROL<="1010"; --adelante end if; end if; --OTRO CASO if SEL="11" then CONTROL<="1111"; --parar end if; end process; end BEHAVIORAL;
VIII. ESQUEMATICOS
IX. ASIGNACION DE PINES
NET SEL(0) LOC =B15; NET SEL(1) LOC =B16; NET S_LINEA(0) LOC =C15; NET S_LINEA(1) LOC =C16; NET S_LUZ(0) LOC =F16; NET S_LUZ(1) LOC =F15; NET S_OBST(0) LOC =J14; NET S_OBST(1) LOC =J16; NET CONTROL(0) LOC =K16; NET CONTROL(1) LOC =K15; NET CONTROL(2) LOC =M16; NET CONTROL(3) LOC =M15;
X. QUEMADA DE LA TARJETA
XI. CONCLUSIONES
CARGAMOS .BIT
Se logró aplicar los conocimientos adquiridos en el periodo académico, tanto en lo que se obtuvo conocimiento de la programación de lenguaje VHDL como en la tarjeta FPGA Espartan 6. El desarrollo de aplicaciones basadas en dispositivos programables, permite generar aplicaciones de manera mas rápida y eficiente, puesto que el diseño es mas orientado al algoritmo desarrollado a nivel de software, y los inconvenientes de implementación y cableado pasan a ser problemas menos tediosos y difíciles de corregir. Para el desarrollo del circuito combinacional controlador del robot móvil, es importante identificar las entradas y salidas del sistema, así como el funcionamiento general del mismo, puesto que el lenguaje de descripción de hardware VHDL
XII. RECOMENDACIONES Se recomienda declarar muy bien los comandos así como también puntos y comas para que funcione correctamente el programa. Se debe asignar correctamente los pines con los pines de la tarje.
Es muy importante no sobrepasar el voltaje de 5V tanto para la alimentación así como también entradas y salidas caso contrario quemaríamos la tarjeta.
XIII. REFERENCIAS J. Angulo, Introducción a la Robótica: Principios teóricos, construcción y programación de un robot educativo, Ed. Thomson, 2005, pp 75. [2] E. Palacios, Microcontrolador PIC16F84 Desarrollo de Proyectos: Sensores para Microrobótica, segunda edición, Ed. AlfaOmega, 2006, pp. 515-527. [3] ATF16V8B DataSheet, Lattice Semiconductor, disponible en internet: http://www.datasheetcatalog.org/datas heets/320/91363_DS.pdf. [4] C. Roth Jr, Fundamentos de diseño logico: Descripción VHDL de Circuitos Combinacionales, Ed. Thomson, 2005, pp. 239-244. [5] J. Wakerly, Diseño Digital Principios y Practicas: Principios de diseño logico-combinacional, Ed. Prentice Hall, 2001, pp. 193-298. [6] F. Pardo, VHDL Lenguaje para Síntesis y Modelado de Circuitos: Descripción Comportamental Algorítmica, Ed. Alfaomega, 2004, pp. 69-82.. [7] J. Garza, Sistemas Digitales y Electrónica Digital Practicas de Laboratorio: Captura Esquemática ISPLever Starter, Ed. Prentice Hall, 2006, pp. 29-46. Ruge, Ilber A. Ingeniero Electrónico egresado de la Universidad Pedagógica
y Tecnológica de Colombia sede Sogamoso Boyacá en el año 2005, Magister en Ingeniería de Control Industrial egresado de la Universidad de Ibagué Tolima en el año 2011. Actualmente se desempeña como docente en la Universidad de Cundinamarca en el Programa de Ingeniería Electrónica. Miembro del grupo de Investigación GITEINCO clase D ColCiencias. Temas de interés: Control inteligente, energías alternativas, dispositivos electrónicos programables entre otros. García , Duvan G. Actualmente esta culminado estudios en la Universidad.
